智能手機感測器初探

感測器Sensor就是手機里那些可以被測量並且能按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。一般這類感測器都是由敏感元件以及轉換元件組成。本文深入淺出地介紹一下手機中相關感測器的原理以及應用場景。

光線感測器

原理：光敏三極體，接受外界光線時，會產生強弱不等的電流，從而感知環境光亮度。

用途：光線感測器能根據手機當時所在的環境來調節屏幕亮度，有的還可以自由控制按鍵呼吸燈的明暗狀態。比如在特別明亮的戶外，屏幕會自動調到最亮的狀態，而當在黑暗環境里，屏幕亮度也會相應降低。通常用於調節屏幕自動背光的亮度，白天提高屏幕亮度，夜晚降低屏幕亮度，使得屏幕看得更清楚，並且不刺眼。也可用於拍照時自動白平衡。還可以配合距離感測器檢測手機是否在口袋裡防止誤觸。

距離感測器

原理：紅外LED燈發射紅外線，被近距離物體反射後，紅外探測器通過接收到紅外線的強度，測定距離，一般有效距離在10cm內。距離感測器同時擁有發射和接受裝置，一般體積較大。

用途：檢測手機是否貼在耳朵上正在打電話，以便自動熄滅屏幕達到省電的目的。也可用於皮套、口袋模式下自動實現解鎖與鎖屏動作。

光線感測器和距離感測器一般都是放在一起的，位於手機正面聽筒周圍，這樣就存在一個問題，手機的額頭上開了太多洞或黑色長條不太好看，所以蘋果一直在想方設法減少開孔、或者隱藏開孔。黑色面板的手機可以輕易隱藏這兩個感測器，但白色面板就有點難度了。當你把手機放在聽筒位置時，距離感測器會測算手機到你耳朵的距離。這個不同的測量值會觸發相應的功能，比如熄滅屏幕或是自動鎖屏等，同樣也可以配合各種保護套來使用。蘋果從iPhone5開始，將光線感測器做成了白色，很好的隱藏了起來，但很多國產手機廠商暫時無法做到，他們只能選用更小尺寸的感測器，將光線+距離感測器放在一起做成更小的長條形，或者和攝像頭一樣大的大圓形，這樣相對好看一些。鎚子的感測器也是長條形，但直接放在了聽筒裡面，也算是隱藏了起來。

重力感測器

原理：利用壓電效應實現，感測器內部一塊重物和壓電片整合在一起，通過正交兩個方向產生的電壓大小，來計算出水平方向。

用途：手機橫豎屏智能切換、拍照照片朝向、重力感應類遊戲（如滾鋼珠）。如今手機屏幕越來越大，曾經被認為沒什麼必要的橫屏功能早已普及。平時在觀看照片、視頻的時候，我們一般都會把手機橫過來操作。在一些遊戲中也可以通過重力感測器來實現更豐富的交互控制，比如平衡球、賽車遊戲等。

加速度感測器

原理：與重力感測器相同，也是壓電效應，通過三個維度確定加速度方向，但功耗更小，但精度低。

加速度感測器的概念和重力感測器略微有些重疊，但事實上卻又不一樣。加速度感測器是多個維度測算的，主要測算一些瞬時加速或減速的動作。比如測量手機的運動速度，在遊戲里能通過加速度感測器觸發特殊指令。日常應用中的一些甩動切歌、翻轉靜音等也都用到了這枚感測器。

指紋感測器

從2013年開始，指紋感測器開始在智能手機中爆髮式增長。它可以自動採集用戶指紋，以此實現保護隱私的目的。不過現在具有指紋感測器的手機並不僅僅是解鎖設備，而是和移動支付相互結合，包括Apple Pay、Sumsang Pay在內都是以指紋感測器為前提來交互。

目前的主流是電容式指紋識別，但從今年開始識別速度更快識別率更高的超聲波指紋識別會逐漸普及。

電容指紋感測器原理：手指構成電容的一極，另一極是硅晶片陣列，通過人體帶有的微電場與電容感測器間形成微電流，指紋的波峰波谷與感應器之間的距離形成電容高低差，從而描繪出指紋圖像。

超聲波指紋感測器原理：超聲波多用於測量距離，比如海底地形測繪用的聲納系統。超聲波指紋識別的原理也相同，就是直接掃描並測繪指紋紋理，甚至連毛孔都能測繪出來。因此超聲波獲得的指紋是3D立體的，而電容指紋是2D平面的。超聲波不僅識別速度更快、而且不受汗水油污的干擾、指紋細節更豐富難以破解。

用途：加密、解鎖、支付……

陀螺儀感測器

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原理：角動量守恆，一個正在高速旋轉的物體（陀螺），它的旋轉軸沒有受到外力影響時，旋轉軸的指向是不會有任何改變的。陀螺儀就是以這個原理作為依據，用它來保持一定的方向。三軸陀螺儀可以替代三個單軸陀螺儀，可同時測定6個方向的位置、移動軌跡及加速度。

用途：日常我們玩的一些射擊或賽車遊戲都需要用到這種陀螺儀，很多應用也藉助陀螺儀感測器來工作，體感、搖一搖（晃動手機實現一些功能）、平移/轉動/移動手機可在遊戲中控制視角，VR虛擬現實，在GPS沒有信號時（如隧道中）根據物體運動狀態實現慣性導航。

磁場感測器

磁場感測器是利用磁阻來測量平面磁場，從而檢測出磁場強度以及方向位置。一般用在常見的指南針或是地圖導航中，幫助手機用戶實現準確定位。如果你部分東南西北，用地圖中的電子羅盤可以輕鬆實現定位。

GPS位置感測器

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原理：地球特定軌道上運行著24顆GPS衛星，每一顆衛星都在時刻不停地向全世界廣播自己的當前的位置坐標及時間戳信息。GPS模塊主要作用是通過天線來接收到衛星的坐標信息幫用戶定位。GPS模塊中的晶元根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，根據衛星發射坐標的時間戳與接收時的時間差計算出衛星與手機的距離，採用空間距離後方交會的方法，確定待測點的位置坐標。這裡需要分清一個概念，手機一般標配的是A-GPS，所謂A-GPS是在接收導航衛星信號的基礎上通過移動網路更快速的定位，比普通的GPS更先進一些。

用途：地圖、導航、測速、測距。隨著4G網路普及，GPS被應用在更多場景，比如與智能硬體配合實現遠程定位監控，或是設備丟失後定位查找。

氣壓感測器

原理：氣壓感測器之前一直被用在軍工手機當中，分為變容式氣壓感測器以及變阻式氣壓感測器。氣壓變化會導致電阻或電容測算數值發生改變。一般GPS能計算出你的位置，但對於一些高度上的變化是需要氣壓感測器來測算。

用途：GPS計算海拔會有十米左右的誤差，氣壓感測器主要用於修正海拔誤差（將至1米左右），當然也能用來輔助GPS定位立交橋或樓層位置。安裝了這種感測器的手機能測算你一天上了多少個樓層，或是用於室內定位等，而內部的氣壓感測器主要是測試設備封閉程度。

溫度感測器

今年MWC上一款支持熱成像測試的三防手機讓人記憶深刻，它用到的就是溫度感測器。溫度感測器是用來檢測手機本身溫度變化的，可以看出手機的發熱程度。擴展功能方面，溫度感測器也能檢測外界空氣中的溫度變化，甚至是用戶當前的體溫。

霍爾感測器

原理：和磁場感測器類似，霍爾磁電效應，當電流通過一個位於磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產生一個垂直於電子運動方向上的的作用力，從而在導體的兩端產生電勢差。

用途：有些手機會隨機標配一些保護套，當合上保護套時手機會自動鎖屏，打開保護套之後設備又會自動解鎖。

紫外線感測器

原理：利用某些半導體、金屬或金屬化合物的用了光電發射效應來測算，通過攝像頭拍戶外光源紫外線照射下會釋放出大量電子，檢測這种放電效應可計算出紫外線強度。

用途：現在應用這種感測器的手機並不多見，而且測算的穩定性也有待進一步觀察。主要用在運動、健康等相關。

心率感測器

原理：用高亮度LED光源照射手指，當心臟將新鮮的血液壓入毛細血管時，亮度（紅色的深度）呈現如波浪般的周期性變化，通過攝像頭快速捕捉這一有規律變化的間隔，再通過手機內應用換算，從而判斷出心臟的收縮頻率。測試的時候需要手指保持平穩，否則測試出的結果會有較大偏差。

用途：運動、健康。心率感測器在穿戴設別中比較常見，但在手機上的應用一般是設置在手機背部的位置，

血氧感測器

原理：和心率感測器一樣，血液中的血紅蛋白和氧合血紅蛋白對紅外光和紅光的吸收比例不同，用這種紅外光與紅光的兩個LED燈光同時照射手指的話，也可以測量出反射光的吸收光譜，從而測量血氧含量。

用途：運動、健康。